Sistema de controlo de um veículo autónomo terrestre

A crescente necessidade imposta pela gama de aplicações existentes, torna o estudo dos veículos autónomos terrestres um objecto de grande interesse na investigação. A utilização de robots móveis autónomos originou quer um incremento de eficiência e eficácia em inúmeras aplicações como permite a intervenção humana em contextos de elevado risco ou inacessibilidade. Aplicações de monitorização e segurança constituem um foco de utilização deste tipo de sistemas quer pela automatização de procedimentos quer pelos ganhos de eficiência (desde a eficiência de soluções multi-veículo à recolha e detecção de informação). Neste contexto, esta dissertação endereça o problema de concepção, o desenvolvimento e a implementação de um veículo autónomo terrestre, com ênfase na perspectiva de controlo. Este projecto surge pois no âmbito do desenvolvimento de um novo veículo terrestre no Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). É efectuado um levantamento de requisitos do sistema tendo por base a caracterização de aplicações de monitorização, transporte e vigilância em cenários exteriores pouco estruturados. Um estado da arte em veículos autónomos terrestres é apresentado bem como conceitos e tecnologias relevantes para o controlo deste tipo de sistemas. O problema de controlo de locomoção é abordado tendo em particular atenção o controlo de motores DC brushless. Apresenta-se o projecto do sistema de controlo do veículo, desde o controlo de tracção e direcção, ao sistema computacional de bordo responsável pelo controlo e supervisão da missão. A solução adoptada para a implementação mecânica da estrutura do veículo consiste numa plataforma de veículo todo terreno (motociclo 4X4) disponível comercialmente. O projecto e implementação do sistema de controlo de direcção para o mesmo é apresentado quer sob o ponto de vista da solução electromecânica, quer pelo subsistema de hardware de controlo embebido e respectivo software. Tendo em vista o controlo de tracção são apresentadas duas soluções. Uma passando pelo estudo e desenvolvimento de um sistema de raiz capaz de controlar motores BLDC de elevada potência, a segunda passando pela utilização de uma solução através de um controlador externo. A gestão energética do sistema é abordada através do projecto e implementação de um sistema de controlo e distribuição de energia específico. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software, envolvendo a integração dos subsistemas projectados especialmente bem como a implementação do sistema computacional de bordo. São apresentados resultados de validação do controlo de locomoção básico quer em simulação quer descritos os testes e validações efectuados no veículo real. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.

A survey of technologies and applications for climbing robots locomotion and adhesion

The interest in the development of climbing robots has grown rapidly in the last years. Climbing robots are useful devices that can be adopted in a variety of applications, such as maintenance and inspection in the process and construction industries. These systems are mainly adopted in places where direct access by a human operator is very expensive, because of the need for scaffolding, or very dangerous, due to the presence of an hostile environment. The main motivations are to increase the operation efficiency, by eliminating the costly assembly of scaffolding, or to protect human health and safety in hazardous tasks. Several climbing robots have already been developed, and other are under development, for applications ranging from cleaning to inspection of difficult to reach constructions. A wall climbing robot should not only be light, but also have large payload, so that it may reduce excessive adhesion forces and carry instrumentations during navigation. These machines should be capable of travelling over different types of surfaces, with different inclinations, such as floors, walls, or ceilings, and to walk between such surfaces (Elliot et al. (2006); Sattar et al. (2002)). Furthermore, they should be able of adapting and reconfiguring for various environment conditions and to be self-contained. Up to now, considerable research was devoted to these machines and various types of experimental models were already proposed (according to Chen et al. (2006), over 200 prototypes aimed at such applications had been developed in the world by the year 2006). However, we have to notice that the application of climbing robots is still limited. Apart from a couple successful industrialized products, most are only prototypes and few of them can be found in common use due to unsatisfactory performance in on-site tests (regarding aspects such as their speed, cost and reliability). Chen et al. (2006) present the main design problems affecting the system performance of climbing robots and also suggest solutions to these problems. The major two issues in the design of wall climbing robots are their locomotion and adhesion methods. With respect to the locomotion type, four types are often considered: the crawler, the wheeled, the legged and the propulsion robots. Although the crawler type is able to move relatively faster, it is not adequate to be applied in rough environments. On the other hand, the legged type easily copes with obstacles found in the environment, whereas generally its speed is lower and requires complex control systems. Regarding the adhesion to the surface, the robots should be able to produce a secure gripping force using a light-weight mechanism. The adhesion method is generally classified into four groups: suction force, magnetic, gripping to the surface and thrust force type. Nevertheless, recently new methods for assuring the adhesion, based in biological findings, were proposed. The vacuum type principle is light and easy to control though it presents the problem of supplying compressed air. An alternative, with costs in terms of weight, is the adoption of a vacuum pump. The magnetic type principle implies heavy actuators and is used only for ferromagnetic surfaces. The thrust force type robots make use of the forces developed by thrusters to adhere to the surfaces, but are used in very restricted and specific applications. Bearing these facts in mind, this chapter presents a survey of different applications and technologies adopted for the implementation of climbing robots locomotion and adhesion to surfaces, focusing on the new technologies that are recently being developed to fulfill these objectives. The chapter is organized as follows. Section two presents several applications of climbing robots. Sections three and four present the main locomotion principles, and the main "conventional" technologies for adhering to surfaces, respectively. Section five describes recent biological inspired technologies for robot adhesion to surfaces. Section six introduces several new architectures for climbing robots. Finally, section seven outlines the main conclusions.

Fractional central pattern generators for bipedal locomotion

Locomotion has been a major research issue in the last few years. Many models for the locomotion rhythms of quadrupeds, hexapods, bipeds and other animals have been proposed. This study has also been extended to the control of rhythmic movements of adaptive legged robots. In this paper, we consider a fractional version of a central pattern generator (CPG) model for locomotion in bipeds. A fractional derivative D α f(x), with α non-integer, is a generalization of the concept of an integer derivative, where α=1. The integer CPG model has been proposed by Golubitsky, Stewart, Buono and Collins, and studied later by Pinto and Golubitsky. It is a network of four coupled identical oscillators which has dihedral symmetry. We study parameter regions where periodic solutions, identified with legs’ rhythms in bipeds, occur, for 0<α≤1. We find that the amplitude and the period of the periodic solutions, identified with biped rhythms, increase as α varies from near 0 to values close to unity.

Complex-order dynamics in hexapod locomotion

This paper studies the dynamics of foot–ground interaction in hexapod locomotion systems. For that objective the robot motion is characterized in terms of several locomotion variables and the ground is modelled through a non-linear spring-dashpot system, with parameters based on the studies of soil mechanics. Moreover, it is adopted an algorithm with foot-force feedback to control the robot locomotion. A set of model-based experiments reveals the influence of the locomotion velocity on the foot–ground transfer function, which presents complex-order dynamics.

Bipedal Locomotion: A Fractional CPG for Generating Patterns

Proceedings of the 10th Conference on Dynamical Systems Theory and Applications

Energy analysis of Multi-legged Locomotion Systems

4th International Conference on Climbing and Walking Robots - From Biology to Industrial Applications

Identificação de compostos que modulam a patogénese da doença de Machado-Joseph em C.elegans: autofagia como alvo terapêutico: identification of small compounds that modulate pathogenesis of Machado-Joseph disease in a C.elegans model: targeting autophagy

A doença de Machado-Joseph (DMJ) ou ataxia espinocerebelosa do tipo 3 (SCA3), conhecida por ser a mais comum das ataxias hereditárias dominantes em todo o mundo, é uma doença neurodegenerativa autossómica dominante que leva a uma grande incapacidade motora, embora sem alterar o intelecto, culminando com a morte do doente. Atualmente não existe nenhum tratamento eficaz para esta doença. A DMJ é resultado de uma alteração genética causada pela expansão de uma sequência poliglutamínica (poliQ), na região C-terminal do gene que codifica a proteína ataxina-3 (ATXN3). Os mecanismos celulares das doenças de poliglutaminas que provocam toxicidade, bem como a função da ATXN3, não são ainda totalmente conhecidos. Neste trabalho, usamos, pela sua simplicidade e potencial genético, um pequeno animal invertebrado, o nemátode C. elegans, com o objetivo de identificar fármacos eficazes para o combate contra a patogénese da DMJ, analisando simultaneamente o seu efeito na agregação da ATXN3 mutante nas células neuronais in vivo e o seu impacto no comportamento motor dos animais. Este pequeno invertebrado proporciona grandes vantagens no estudo dos efeitos tóxicos de proteínas poliQ nos neurónios, uma vez que a transparência das suas 959 células (das quais 302 são neurónios) facilita a deteção de proteínas fluorescentes in vivo. Para além disso, esta espécie tem um ciclo de vida curto, é económica e de fácil manutenção. Neste trabalho testámos no nosso modelo transgénico da DMJ com 130Qs em C.elegans dois compostos potencialmente moduladores da agregação da ATXN3 mutante e da resultante disfunção neurológica, atuando pela via da autofagia. De modo a validar a possível importância terapêutica da ativação da autofagia os compostos candidatos escolhidos foram o Litío e o análogo da Rapamicina CCI-779, testados independentemente e em combinação. A neuroproteção conferida pelo Litío e pelo CCI-779 independentemente sugere que o uso destes fármacos possa ser considerado uma boa estratégia como terapia para a DMJ, a testar em organismos evolutivamente mais próximos do humano. A manipulação da autofagia, segundo vários autores, parece ser benéfica e pode ser a chave para o desenvolvimento de novos tratamentos para várias doenças relacionadas com a agregação proteica e o envelhecimento.

Optimização dos parâmetros de um robô hexápode através de algoritmos genéticos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Construção de um robô trepador com locomoção através de rodas e adesão através de meios magnéticos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Adaptação ocupacional de indivíduos obesos a partir dos conceitos de identidade e competência ocupacional: associação com os níveis de atividade física e os valores máximos de pressão plantar

A Obesidade é considerada um grave problema de saúde pública, com consequências negativas para os indivíduos obesos, nomeadamente dificuldades no desempenho de atividades de vida diária, na locomoção e na prática de exercício físico, o que pode restringir a participação em atividades sociais e de lazer. Esta investigação consiste num estudo quantitativo descritivo e tem como objetivo principal descrever de que forma os indivíduos adultos obesos classificam a sua adaptação ocupacional, a partir dos conceitos de identidade e competência ocupacional. Com este estudo, pretende-se ainda verificar se os indivíduos obesos apresentam níveis de atividade física mais baixos e valores mais elevados de pressão plantar, em relação a indivíduos com peso normal. A amostra é constituída por dez indivíduos adultos, de ambos os sexos, com índice de massa corporal igual (IMC) ou superior a 30 Kg/m2, e os instrumentos de avaliação utilizados são o Questionário Ocupacional (adaptado por N. Riopel com assistência de G. Kielhofner e J. Hawkins Watts – 1986), o IPAQ – Versão Curta e o Sistema de Palmilhas Pedar. A partir dos resultados, pode-se verificar que os indivíduos obesos apresentam uma rotina diária em que a maioria das atividades realizadas está relacionada com a casa, o trabalho e o descanso e que a percentagem de atividades de lazer em que participam é reduzida. No entanto, parecem satisfeitos com o seu desempenho na maior parte das atividades, consideram que muitas delas são importantes para si e estão motivados para as realizar. Dos resultados obtidos, podemos sugerir que os indivíduos obesos apresentam boa adaptação ocupacional. Pode-se ainda dizer que os indivíduos obesos apresentam um baixo nível de intensidade de atividade física, não se observando diferenças significativas relativamente aos indivíduos com peso normativo e que os seus valores máximos de pressão plantar normalizados são inferiores quando comparados com a população de peso normal.

Sistema de localização de um veículo autónomo terrestre

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores.

Sistema de busca e salvamento baseado em múltiplos veículos terrestres

Esta dissertação visa o desenvolvimento de um sistema de busca e salvamento baseado em múltiplos veículos terrestres, utilizando para tal os veículos LINCE do Laboratório de Sistemas Autónomos. Tendo como principal propósito conferir autonomia aos veículos, foram estudados possíveis cenários de actuação, para determinar as principais funcionalidades requeridas do sistema. Foram também estudadas metodologias de análise e caracterização de sistemas multirobóticos, baseadas no estado da arte existente, e foi elaborada a arquitectura conceptual do sistema e dos veículos a desenvolver. A preparação dos veículos abordou o estudo das possíveis soluções sensoriais e de actuação, e o desenvolvimento de uma arquitectura de hardware capaz de interligar todos os periféricos dos mesmos. Foram adaptados novos sensores e actuadores, e desenvolvidos alguns desses sensores. Para a interligação e manutenção dos mesmos foram ainda desenvolvidos novos periféricos de interface e controlo, e periféricos de gestão de energia. Por fim, foi ainda adaptado um gestor de missões nos veículos, capaz de receber a especificação das mesmas.

Sistema de modelização tridimensional para ambientes não estruturados

A navegação de veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um problema em aberto. A complexidade do mundo real ainda é um desafio. A difícil caracterização do relevo irregular, dos objectos dinâmicos e pouco distintos(e a inexistência de referências de localização) tem sido alvo de estudo e do desenvolvimento de vários métodos que permitam de uma forma eficiente, e em tempo real, modelizar o espaço tridimensional. O trabalho realizado ao longo desta dissertação insere-se na estratégia do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) na pesquisa e desenvolvimento de sistemas sensoriais que possibilitem o aumento da capacidade de percepção das plataformas robóticas. O desenvolvimento de um sistema de modelização tridimensional visa acrescentar aos projectos LINCE (Land INtelligent Cooperative Explorer) e TIGRE (Terrestrial Intelligent General proposed Robot Explorer) maior autonomia e capacidade de exploração e mapeamento. Apresentamos alguns sensores utilizados para a aquisição de modelos tridimensionais, bem como alguns dos métodos mais utilizados para o processo de mapeamento, e a sua aplicação em plataformas robóticas. Ao longo desta dissertação são apresentadas e validadas técnicas que permitem a obtenção de modelos tridimensionais. É abordado o problema de analisar a cor e geometria dos objectos, e da criação de modelos realistas que os representam. Desenvolvemos um sistema que nos permite a obtenção de dados volumétricos tridimensionais, a partir de múltiplas leituras de um Laser Range Finder bidimensional de médio alcance. Aos conjuntos de dados resultantes associamos numa nuvem de pontos coerente e referenciada. Foram desenvolvidas e implementadas técnicas de segmentação que permitem inspeccionar uma nuvem de pontos e classifica-la quanto às suas características geométricas, bem como ao tipo de estruturas que representem. São apresentadas algumas técnicas para a criação de Mapas de Elevação Digital, tendo sido desenvolvida um novo método que tira partido da segmentação efectuada

Um novo gerador central de padrões de locomoção para geração de trajectórias em tempo real de robôs quadrúpedes

Neste trabalho estuda-se a geração de trajectórias em tempo real de um robô quadrúpede. As trajectórias podem dividir-se em duas componentes: rítmica e discreta. A componente rítmica das trajectórias é modelada por uma rede de oito osciladores acoplados, com simetria 4 2 Z  Z . Cada oscilador é modelado matematicamente por um sistema de Equações Diferenciais Ordinárias. A referida rede foi proposta por Golubitsky, Stewart, Buono e Collins (1999, 2000), para gerar os passos locomotores de animais quadrúpedes. O trabalho constitui a primeira aplicação desta rede à geração de trajectórias de robôs quadrúpedes. A derivação deste modelo baseia-se na biologia, onde se crê que Geradores Centrais de Padrões de locomoção (CPGs), constituídos por redes neuronais, geram os ritmos associados aos passos locomotores dos animais. O modelo proposto gera soluções periódicas identificadas com os padrões locomotores quadrúpedes, como o andar, o saltar, o galopar, entre outros. A componente discreta das trajectórias dos robôs usa-se para ajustar a parte rítmica das trajectórias. Este tipo de abordagem é útil no controlo da locomoção em terrenos irregulares, em locomoção guiada (por exemplo, mover as pernas enquanto desempenha tarefas discretas para colocar as pernas em localizações específicas) e em percussão. Simulou-se numericamente o modelo de CPG usando o oscilador de Hopf para modelar a parte rítmica do movimento e um modelo inspirado no modelo VITE para modelar a parte discreta do movimento. Variou-se o parâmetro g e mediram-se a amplitude e a frequência das soluções periódicas identificadas com o passo locomotor quadrúpede Trot, para variação deste parâmetro. A parte discreta foi inserida na parte rítmica de duas formas distintas: (a) como um offset, (b) somada às equações que geram a parte rítmica. Os resultados obtidos para o caso (a), revelam que a amplitude e a frequência se mantêm constantes em função de g. Os resultados obtidos para o caso (b) revelam que a amplitude e a frequência aumentam até um determinado valor de g e depois diminuem à medida que o g aumenta, numa curva quase sinusoidal. A variação da amplitude das soluções periódicas traduz-se numa variação directamente proporcional na extensão do movimento do robô. A velocidade da locomoção do robô varia com a frequência das soluções periódicas, que são identificadas com passos locomotores quadrúpedes.

Robôs quadrúpedes: geração de trajectórias em tempo real usando sistemas dinâmicos não-lineares

A geração de trajectórias de robôs em tempo real é uma tarefa muito complexa, não existindo ainda um algoritmo que a permita resolver de forma eficaz. De facto, há controladores eficientes para trajectórias previamente definidas, todavia, a adaptação a variações imprevisíveis, como sendo terrenos irregulares ou obstáculos, constitui ainda um problema em aberto na geração de trajectórias em tempo real de robôs. Neste trabalho apresentam-se modelos de geradores centrais de padrões de locomoção (CPGs), inspirados na biologia, que geram os ritmos locomotores num robô quadrúpede. Os CPGs são modelados matematicamente por sistemas acoplados de células (ou neurónios), sendo a dinâmica de cada célula dada por um sistema de equações diferenciais ordinárias não lineares. Assume-se que as trajectórias dos robôs são constituídas por esta parte rítmica e por uma parte discreta. A parte discreta pode ser embebida na parte rítmica, (a.1) como um offset ou (a.2) adicionada às expressões rítmicas, ou (b) pode ser calculada independentemente e adicionada exactamente antes do envio dos sinais para as articulações do robô. A parte discreta permite inserir no passo locomotor uma perturbação, que poderá estar associada à locomoção em terrenos irregulares ou à existência de obstáculos na trajectória do robô. Para se proceder á análise do sistema com parte discreta, será variado o parâmetro g. O parâmetro g, presente nas equações da parte discreta, representa o offset do sinal após a inclusão da parte discreta. Revê-se a teoria de bifurcação e simetria que permite a classificação das soluções periódicas produzidas pelos modelos de CPGs com passos locomotores quadrúpedes. Nas simulações numéricas, usam-se as equações de Morris-Lecar e o oscilador de Hopf como modelos da dinâmica interna de cada célula para a parte rítmica. A parte discreta é modelada por um sistema inspirado no modelo VITE. Medem-se a amplitude e a frequência de dois passos locomotores para variação do parâmetro g, no intervalo [-5;5]. Consideram-se duas formas distintas de incluir a parte discreta na parte rítmica: (a) como um (a.1) offset ou (a.2) somada nas expressões que modelam a parte rítmica, e (b) somada ao sinal da parte rítmica antes de ser enviado às articulações do robô. No caso (a.1), considerando o oscilador de Hopf como dinâmica interna das células, verifica-se que a amplitude e frequência se mantêm constantes para -50.2. A extensão do movimento varia de forma directamente proporcional à amplitude. No caso das equações de Morris-Lecar, quando a componente discreta é embebida (a.2), a amplitude e a frequência aumentam e depois diminuem para - 0.170.5 Pode concluir-se que: (1) a melhor forma de inserção da parte discreta que menos perturbação insere no robô é a inserção como offset; (2) a inserção da parte discreta parece ser independente do sistema de equações diferenciais ordinárias que modelam a dinâmica interna de cada célula. Como trabalho futuro, é importante prosseguir o estudo das diferentes formas de inserção da parte discreta na parte rítmica do movimento, para que se possa gerar uma locomoção quadrúpede, robusta, flexível, com objectivos, em terrenos irregulares, modelada por correcções discretas aos padrões rítmicos.